بخشی از مقاله
چکیده - در این مطالعه طیف سنجی فروشکست القایی لیزری جهت بررسی پلاسمای القایی هدف فلزی - پالادیم - در اتمسفر هوا با استفاده از لیزر آرگون- فلوراید بکار برده شد. تحول زمانی پلاسما برای تپ های لیزری با انرژی 120 و 60 میلی ژول در زمان تاخیرهای متفاوت بررسی گردید. اثر انرژی تپ لیزر در فرایند سرد شدن پلاسمای القایی و در آستانه خروج از تعادل ترمودینامیکی موضعی - LTE - مطالعه گردید. نقش گونه های مختلف تابش کننده در این پلاسما در زمان تاخیرهای متفاوت بدست آمد. شرایط بهینه زمان تاخیر جهت محاسبه دمای الکترونی پلاسمای القایی تعیین گردید.
-1 مقدمه
طیف سنجی به روش فروشکست القایی لیزری در دو دهه اخیر به عنوان یک روش تحلیلی، روند رو به رشدی داشته است.[1] بدین وسیله عناصر موجود در نمونه را می توان به صورت کمی و کیفی با پردازش بیناب تابشی پلاسمای ایجاد شده به صورت همزمان و درجا شناسایی نمود. در این روش تپ لیزر با انرژی کافی روی نمونه کانونی می شود تا فرآیندهای گرمایش، ذوب، تبخیر و در نتیجه ایجاد پلاسمای چگال و با دمای بالا شامل اتمها، یونها و الکترونها و ذرات برانگیخته، صورت پذیرد. در شرایطی که چگالی الکترونی زیاد است، هم ارزی دمایی دیگر توزیع ها - بجز توزیع پلانک - بصورت موضعی می توانند درست باشند و بنابراین تعادل ترمودینامیک موضعی در پلاسمای با چگالی الکترونی بالا که برخوردها بر فرآیندهای تابشی غلبه می کنند، رخ می دهد.
نمودار سمت چپ معادله فوق بر حسب Ei ، یک نمودار خطی با شیب 1kT است1]و.[2 بررسی تحولات زمانی پلاسما جهت طیف سنجی دقیق، بسیار ضروری می باشد. در ابتدا دمای پلاسما بسیار بالاست و یونش خودبخودی غالب است. فرآیندهای برخوردی سریع پلاسما را به شرایط تعادل ترمودینامیکی موضعی می برد که در آن الکترونها توزیع ماکسول دارند، همه ذرات دمای یکسان دارند، جمعیت ترازهای انرژی متناظر با توزیع بولتزمن هستند و نرخ غلظت بین دو مرحله یونش متوالی با معادله ساها توصیف می شود.
سپس پلاسما سرد و منبسط می شود و بازترکیب باعث می شود که پلاسما از شرط تعادل ترمودینامیکی موضعی دور شود.[3] بنابراین یافتن زمان تاخیر مناسب جهت ثبت گسیل پلاسمای القایی امری ضروری می باشد4]و . [5 در این پژوهش اثر انرژی تپ لیزر بر پلاسمای ایجاد شده و نیز زمان تاخیر مناسب جهت بررسی گسیل القایی لیزر به منظور درک بهتر سازوکار برهم کنش مطالعه گردیده است.
-2 روشهای تجربی
تپ لیزر اگزایمر آرگون- فلوراید با طول موج 193 نانومتر بر هدف فلزی پالادیم با درجه خلوص % 99/9 توسط یک لنز با فاصله کانونی 20 سانتیمتر در اتمسفر هوا کانونی شد. گسیل پلاسمای القایی توسط یک فیبر نوری به طول 2 متر به طیف سنج Ava-spec-2048 مجهز به توری پراش با قدرت تفکیک 0/4 نانومتر و بازه طیفی 200 تا 1100 نانومتر منتقل شد و توسط یک CCD ثبت گردید. شکل 1 طرحواره ای از چیدمان آزمایشی را نشان می دهد.
پهنای تپ لیزر 15 نانوثانیه، نرخ تکرار تپ 1 هرتز و انرژی تپ 60 و 120 میلی ژول بود. گسیل پلاسما در زمانهای تاخیر متفاوت از 1/28 تا 32 میکروثانیه جهت یافتن مقدار بهینه بررسی شد. در شکل 2 تصاویر نوعی مربوط به سیگنال نور گسیلی از پلاسما و سیگنال تاخیری در زمانهای 2 و 4 میکروثانیه آورده شده است. از یک آشکارساز APD جهت شناسایی زمان مرجع و ارسال سیگنال به تاخیرساز و از یک سیگنال TTL - تولید شده توسط تاخیرساز - برای کنترل گیت CCD طیف سنج بهره گیری شده است.
سیگنال تاخیریافته TTL
شکل.2 تصاویر مربوط به سیگنال نور گسیلی از پلاسما و سیگنال تاخیریافته در زمانهای الف - 2 و ب - 4 میکروثانیه
-3 بحث و بررسی
شکل 3 چند طیف گسیلی پلاسما ناشی از برهم کنش تپ لیزر آرگون- فلوراید با انرژی 120 میلی ژول با هدف پالادیم در هوا را در زمان تاخیرهای مختلف 1/28، 2، 4، 8، 16 و 32 میکروثانیه نشان می دهد. همانگونه که مشاهده می شود طیف گسیلی شامل خطوط نشری فلز پالادیم - 3G و - 3G و خطوط مشخصه نیتروژن دوباریونیده - - 1 موجود در اتمسفر واکنش هستند. در زمان تاخیرهای کمتر شدت خطوط نشری پالادیم غالب هستند اما با افزایش زمان تاخیر شدت خط نیتروژن 400/358 نانومتر افزایش می یابد و در زمان تاخیر 32 میکروثانیه جاییکه تمامی خطوط مشخصه پالادیم افت کرده یا ناپدید شده اند؛ شدت خط نیتروژن کاملا غالب شده است. دلیل این امر واهلش سریعتر پلاسمای اتم برانگیخته پالادیم در قیاس مولکول برانگیخته نیتروژن می باشد. نکته قابل توجه دیگر مشاهده خط مشخصه نیتروژن دو بار یونیده - N - می باشد که ناشی از سازوکار کندگی نوری فرابنفش لیزر آرگون- فلوراید است.
طول موج - نانومتر -
شکل.3 طیف های نشر پلاسمای القایی پالادیم ناشی از تپ لیزر آرگون- فلوراید با انرژی 120 میلی ژول در زمان تاخیرهای - الف - 1/28، - ب - 2، - ج - 4، - د - 8، - ه - 16 و - و - 32 میکروثانیه با استفاده از معادله بولتزمن دمای الکترونی متناظر با هر زمان تاخیر محاسبه گردید که نتایج آن در شکل 4 آورده شده است.
کلوین - - درجه الکترونی دمای
8 4 2 1/28 زمان تاخیر - میکروثانیه -
شکل.4 دمای الکترونی پلاسمای القایی پالادیم ناشی از تپ لیزر آرگون- فلوراید با انرژی 120 میلی ژول در زمان تاخیرهای متفاوت دمای الکترونی در زمان تاخیر 1/28، 2 و 4 میکروثانیه به ترتیب 4621، 4348 و 4160 درجه کلوین بدست آمد. همانطور مشاهده می شود با افزایش زمان تاخیر دمای الکترونی پلاسمای القایی کاهش یافته که به دلیل سرد شدن سریع پلاسما با گذر زمان است.
